图文剖析神秘的「Linux内存映射」
简单回顾
应用程序在运行起来之后（进程），是相互独立的，都有自己的进程地址空间。但是往往在一些业务上需要进程间的通信，来完成系统的某个完整的功能。我们来看下进程间通信能干那些事情？如下：
- 数据传输。一个进程需要发送数据到另一个进程，这种需求肯定是存在的。
- 共享数据。如果有多个进程想要访问数据，一个进程修改了内容，另一个进程能够立即看到内容变化。
- 资源保护：上面的的操作中存在竞争情况，内核需要提供锁和同步机制。
- 通知：一个进程需要向另一个进程发送消息，通知发生了某个事件。
- 控制：有些进程需要控制另一个进程的运行。典型的例子就是gdb，可参考之前文章【gdb到底是怎么实现的？】
进程间的通信方式一般可以分为八种，如下：
我们今天就来深入剖析下内存映射的实现原理。
内存映射
我记得在我之前的文章中讲过一次内存映射的实现原理，不知道各位还记不记的。今天为什么还要讲呢？主要是上一次讲的还不够深入。先给个图各位回忆下：
这幅图只是讲解了大致的原理，接下来我们就仔细的研究下，到底是怎么实现的？
内存映射实现原理深入剖析
首先是创建虚拟映射区域，分为下面几个步骤：
- 在当前的虚拟地址空间中，寻找一段满足要求大小的虚拟地址
- 为此虚拟地址分配一个虚拟内存区域（vm_area_struct结构，如图）
- 初始化该虚拟内存区域
- 插入该虚拟内存区域到进程的虚拟地址区域链表（也是树）中
然后是实现地址的映射关系（即：进程虚拟地址空间---->>>文件磁盘地址），分为下面几个步骤：
- 依次通过待映射的文件指针，文件描述符&文件结构体，最终调用内核中的mmap（）
- 内核空间中的mmap通过虚拟文件系统inode模块 定位到文件磁盘物理地址
- 通过remap_pfn_range()建立页表，实现了文件地址和虚拟地址区域的映射关系。
到这里仅仅是创建了虚拟空间和映射地址，没有任何文件数据的拷贝。真正的拷贝时刻是到了进程发生了读写操作。
最后是进程访问映射空间，实现文件内容到物理内存的数据拷贝，如下步骤：
- 进程的读写操作，访问虚拟地址空间这一段映射地址
- 若进程通过写操作改变了其内容，一定时间后系统会自动回写脏页到对应的磁盘地址，即完成了写入文件的操作。（注意：修改时，脏页面不会立即更新，而是在之后的msync（）来强制同步。）
总结
- 用户空间和内核空间的高效交互；通过映射的区域直接交互的方式
- 数据拷贝次数减少；对文件的读取操作跨过了页缓存，减少了数据的拷贝次数
- 文件读取的效率高，用内存的读写方式操作IO读写方式
- 可实现高效的大规模数据传输，借助硬盘空间协助大数据操作时，采用mmap可提高效率
应用场景
在Linux系统中，根据内存映射的原理，它的应用场景如下：
- 实现内存共享：如跨进程通信
- 提高数据读写效率；如文件读写操作。